Регистрация / Вход
Прислать материал

Синтез и исследование плазмонных наноструктур

Сведения об участнике
ФИО
Редуто Игорь Владимирович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования и науки Академический университет - научно-образовательный центр нанотехнологий Российской академии наук
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение
Тема
Синтез и исследование плазмонных наноструктур
Резюме
Нами продемонстрирован новый подход к формированию и структурированию наноостровковых металлических пленок, основанный на поляризации стекол и обратной диффузии металла из стеклянной подложки. Разработана новая методика выращивания и тиражирования малых групп наноостровков с заданным взаимным расположением. В работе также исследован метод управления положением поверхностностного плазмонного резонанса серебряных и золотых наночастиц посредством нанесения дополнительного слоя диэлектрика - оксида титана. Полученные структуры могут быть использованы в плазмонике и нанофотонике, в частности, в спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния.
Ключевые слова
поверхностный плазмонный резонанс, наноостровковые плёнки, золото, серебро
Цели и задачи
Цель: Разработка методик формирования наноостровковых плёнок благородных металлов, в том числе структурированных пленок, и управление их параметрами.
Задачи: Получение серебряных наноостровковых плёнок на ионообменных стеклах методом обратной диффузии и их исследование; Разработка методики получения заданных структур из наноостровков за счёт самоорганизации; Разработка методики управления спектральными характеристиками формируемых структур из серебряных и золотых наночастиц.
Введение

В настоящее время наноостровковые плёнки (НП) благородных металлов находят широкое применение в плазмонике и фотонике [1-2]. Широкий интерес к ним вызван наличием поверхностного плазмонного резонанса (ППР) в наночастицах (НЧ). Амплитуда и положение пика ППР определяется свойствами НЧ. Варьируя параметры ППР можно управлять спектральными и амплитудными характеристиками оптической нелинейности структур. Во многих случаях существенным является локальность ППР, например, для создания датчиков с высоким пространственным разрешением. В данном проекте представлена новая методика роста серебряных НП и самоорганизации островков в малые группы [3-5]. В работе также исследована методика управления спектром ППР серебряных НП и золотых НЧ.

Методы и материалы

Исследования проводятся с использованием промышленных натриево-кальциево-силикатных и кварцевых стекол. С помощью ионного обмена стекло допируется ионами серебра [6]. После этого, при отжиге в водородной атмосфере, формируется островковая плёнка серебра на поверхности стекла [5,7].

Для эффективного применения наноостровковых структур в плазмонике, необходимо минимизировать расстояния между наноостровками и обеспечить возможность задавать их концентрацию, размер и взаимное расположение. Предлагаемая к разработке в рамках проекта методика, основанная на поляризации стекол, даёт возможность получения структур из групп островков с заданными параметрами, при этом можно обеспечить расстояние между островками порядка нескольких нанометров [8]. Для поляризации предлагается использовать электроды с двумерными структурами.

Для дополнительного управления положением поверхностностного плазмонного резонанса серебряных наноостровковых плёнок и золотых усечённых наночастиц [10], наносился дополнительный слоя диэлектрика - оксида титана [9]. Такой слой диэлектрика, помимо этого, защищает наноостровки от внешних воздействий.

Описание и обсуждение результатов

Разработана новая методика формирования металлических островковых плёнок, основанная на процессах ионного обмена и обратной диффузии металла из стеклянной подложки при помощи отжига ионообменного стекла в водородной атмосфере. Установлена корреляция между условиями выращивания наноостровковых плёнок и их характеристиками. При этом изменялись следующие параметры: состав расплава, температура и длительность ионного обмена, а также температура и длительность отжига в водороде. С помощью атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии определено влияние длительности и температуры отжига в водороде на размеры и концентрацию наноостровков. Определено распределение островков серебра по размерам. Исследована морфология наноостровков и показано, что они имеют форму, близкую к полусферической. Установлена необходимая для экспресс-анализа связь между концентрацией и размерами наночастиц и их спектральными характеристиками.

Разработан новый подход к структурированию островковых металлических плёнок и их самоорганизации в маленькие группы за счет локальной обработки стеклянных подложек электрическим полем (поляризации или, то же самое, полинга). Определено влияние условий электрополевой печати на самоорганизацию наноостровков. Параметры изготавливаемых при этом структур могут быть проварьированы за счет подбора режимов ионного обмена, полинга и отжига в водородной атмосфере. Существенно что рассматриваемая «электрополевая печать» позволяет получать достаточно малые, на уровне десятков нанометров, расстояния между островками, что превосходит результаты стандартной литографии. Это существенно для получения высоких локальных полей. Таким образом, разработана воспроизводимая методика получения серебряных структурированных и самоорганизованных групп островковых плёнок на стекле. Продемонстрировано формирование различных структур из островковых плёнок: периодических цепочек, двумерных массивов, самоорганизованных групп наноостровков с вариабельными размерами и количествами островков в группе.

В работе также исследована методика управления положением поверхностностного плазмонного резонанса серебряных наноостровковых плёнок и золотых наночастиц при помощи нанесения дополнительного слоя диэлектрика - оксида титана. Такой слой диэлектрика также защищает наноостровки от внешних воздействий.

Используемые источники
[1] Pelton M. et al. Introduction to Metal-Nanoparticle Plasmonics. Hoboken.: John Wiley & Sons. Inc., 2013. P. 296.
[2] Shahbazyan T.V. et al. Plasmonics: Theory and Applications. N.Y.: Springer, 2013. P. 101.
[3] Jacobs B.W. et al. // Chem. Sci. 2011. V. 2. P. 411 416.
[4] Janicki V. et al. // Appl. Phys. B. 2010. V. 98. P. 93 98.
[5] Zhurikhina V. V. et al. // Nanoscale Res. Lett. 2012. V. 7. P. 676.
[6] Журихина В.В. и др. // ЖТФ. 2010. Т. 80. С. 58 63.
[7] Kaganovskii Yu. et al. // J. Non-Cryst. Solids. 2007. V. 353. P. 2263 2271.
[8] Chervinskii S. et al.// Faraday Discussions 2016. V. 186. P. 107 121.
[9] Gupta G. et al. // Nanotechnology 2009 V. 20. P. 025703.
[10] Chervinskii S. et al. // Nanoscale Res. Lett 2014 V. 9. P. 398.
Information about the project
Surname Name
Reduto Igor
Project title
Synthesis and investigation of plasmonic nanostructures
Summary of the project
We developer a novel technique for structuring metal island films and formation of self-arranged groups of metal nanoislands, which is based on polarization and hydrogen annealing of ion-exchanged glasses. Quantity and size of nanoislands in small groups can be given in a wide range via varying the mode of polarization and annealing in hydrogen. This allows using the structures manufactured with the developed technique in chemical and biological sensors of high spatial resolution. The work also studied protective and surface plasmon management techniques for silver nanoisland and gold nanoparticles. Noble metal nanoisland films are widely applicable in plasmonics and nanophotonics.
Keywords
surface plasmon resonance, nanoisland films, gold, silver